开关电源主电路拓扑结构的分析与比较

    在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下S导通，二极管因受反向偏压而截止，电流由电池流经S、电感L到电容C和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使S截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生感生电动势使电流维持原来的流向，二极管D导通，为电感电流构成通路，电流由电感L流向电容C和负载，电感电流随着时间而下降，能量由电感流向负载。

    经电感L、电容C滤波，在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo。为推导降压型DC/DC转换器的输出电压与输入电压间的关系，在主开关管S导通、二极管D截止时，忽略S管的正向导通压降；整流管导通、主开关管关断时，忽略二极管的压降 ；忽略电感、电容的寄生电阻。因为只有在开关管导通期间，储能电感L的电流增加量和开关管截止期间储能电感L中的电流减少量相等时，电路才达到平衡状态，即在稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：
      

    D为占空比。改变D，输出电压Uo的平均值也就随之改变。因此，当负载及电网电压变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空比D来使输出电压Uo维持不变。

    2.3降压-升压型拓扑结构

    这个电路的开关管和负载构成并联。在S导通时，电流通过L平波，电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui加上UL，因而有升压作用。

    图3是降压-升压型开关电源的典型电路。Ui 为输入电源，S是主开关管，D是整流管。S在控制信号作用下在导通、截止状态间转换。该电路的工作可简单分析如下：第一阶段，S导通，D截止，忽略开关管的正向导通压降，此时，电感电流线性上升，能量从输入电源转换成磁场能存储在电感L中，此时负载得到的能量来自电容C；第二阶段，D导通，S截止，电感电流开始线性下降，能量由电感元件流向电容和负载。经电容C滤波，在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo ，计算其平均值，推出降压-升压型DC/DC转换器的输出电压与输入电压间的关系式：
         

    式（3）中，若改变占空比D，则输出电压既可低于电源电压，也可能高于电源电压。

图3  降压-升压型DC/DC转换器电路

   2.4升压-降压型DC/DC转换器              

    图4是升压-降压型开关电源典型电路。升压-降压型DC/DC转换器的基本工作原理如下：

    第一阶段：S导通，D截止。在输入回路，电流由电池流向电感L1和主开关管S，电感L1接收来自电池的能量，电感电流线性增加；在输出回路，电容C1通过S对滤波电容C2、负载RL及L2放电，因此D受反向偏压而截止，这时C1将能量转移给L2。

    第二阶段：S截止，D导通。当S截止时，在输出回路，L2要维持电流方向不变，产生感应电动势使D导通，于是能量由L2传送到C2和负载RL；在输入回路，电流由电池流经电感L1、电容C1和二极管D，以前一阶段的电感电流终值作为本阶段的电流初值开始向藕合电容C1充电，随着电容两端电压的增加，电感电流逐渐减少，能量由L1转移到C1中。

    升压-降压型DC/DC转换器的输出电压与输入电压间的关系式同降压-升压型关系。升压-降压型DC/DC转换器电路复杂，但纹波性能得到改善。若将两电感绕在同一磁芯上，选择合适的匝比、耦合系数等，可得到零纹波输出。

   图4  升压-降压型DC/DC转换器电路

（4）

图5  单端反激式DC/DC转换电路

     该电路的最大问题是：功率管T交替工作于通/断两种状态，当功率管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，可能会使功率调整管烧毁。

图6  单端正激式DC/DC转换电路

    在输出滤波电感电流连续的情况下：
           （5）

    如果输出电感电路电流不连续，输出电压UO将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下：
            （6）

   3.3推挽式DC/DC转换器

    推挽式DC/DC转换电路如图7所示。这种电路结构的特点是：变压器原边是两个对称线圈，两只功率调整管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

图7  推挽式DC/DC转换电路

    主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。

    该电路的主要缺点是：电路结构相对复杂，成本较高，变压器绕组利用率低，对功率管的耐压要求比较高。

  当滤波电感L的电流连续时：
          （7）

    如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下：
             （8）

  3.4全桥式DC/DC转换器

    全桥式DC/DC转换电路如图8所示。这种电路结构的特点是：由4只相同的调整管接成电桥结构驱动变压器的原边。工作过程：互为对角的两个功率管同时导通，同一侧上的两功率管交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 的交流电压，改变PWM占空比就可以改变输出电压。

   图8  全桥式DC/DC转换电路

    该电路使用的功率管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1kW以上超大功率开关电源电路中。

    该电路的主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。

当滤波电感L的电流连续时：

            （9）

    如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下：
      （10）

    3.5半桥式DC/DC转换器

    半桥式DC/DC转换电路如图9所示。由图可以看出电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只调整管换成了两只等值的大电容C1、C2。工作过程：T1和T2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 的交流电压，改变PWM的占空比就可以改变输出电压。

图9  半桥式DC/DC转换电路

    主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十W到kW都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC转换器，如电子荧光灯驱动电路中。

（11）

    如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下：

（12）

    4 结论

    开关电源主电路中转换器拓扑结构的选择与设计，在满足性能要求的前提下还要综合考验电源系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素。在所有实际应用中，就电气特性而言，没有哪一个DC/DC转换器是最佳的。换言之，不同的应用，应选取不同的最合适的转换器。